汽車(chē)電子液壓制動(dòng)系統跟隨特性的實(shí)驗研究 ----EHB系統跟隨特性的實(shí)驗研究（二）

　　4.3基于PID的EHB制動(dòng)壓力跟隨控制算法實(shí)驗驗證

　　EHB系統制動(dòng)壓力跟隨特性的實(shí)驗系統如圖4.4所示主要可分為兩步，首先將編譯好的控制程序下載到MCU中，MCU發(fā)出壓力控制指令，經(jīng)驅動(dòng)電路將控制信號輸出給液壓控制單元，通過(guò)控制高速開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)，最終實(shí)現增壓、保壓和減壓三種工作狀態(tài)及相互之間的轉換。其控制流程如圖4.5所示

　　然后應用xPC數據采集設備，對目標壓力與實(shí)際壓力進(jìn)行觀(guān)測。xPCTarget數據采集過(guò)程是通過(guò)目標實(shí)時(shí)內核來(lái)實(shí)現的。一方面目標機用自己的RAM將應用程序的實(shí)時(shí)信號數據存儲，另一方面將采集到的信號進(jìn)行可視化顯示在屏幕上，同時(shí)還可實(shí)時(shí)地將采集到的信號傳到主機上分析并進(jìn)行可視化。圖4.6為xPC數據采集設備的工作流程，主要步驟如下：

　　(1)啟動(dòng)xPC Target平臺的宿主機和目標機。在宿主機中運行MATLAB R2006b，建立Simulink仿真模型。在Simulink模塊庫中將輸入信號模塊、輸出等模塊、目標示波器等數據采集所需模塊添加到Simulink框圖中，然胡進(jìn)行參數設置。通過(guò)Simulink模塊對參數對話(huà)框進(jìn)行定義及物理I/O板相對應的參數值(如輸入輸出信號的通道數目、編號、輸入輸出電壓的范圍和采樣時(shí)間等)進(jìn)行定義。

　　(2)在使用工具條中的選擇RTW/Build命令(Ctrl+B)，自動(dòng)完成程序代碼的生成、編譯、鏈接和下載。對模型進(jìn)行編譯并下載到目標機中，待完成后選擇仿真外部模式連接到目標機。

　　(3)運用xPCTarget的信號采集方式同目標應用程序進(jìn)行交互式操作，如調整參數、實(shí)時(shí)的采集和跟蹤信號、顯示和控制目標系統的狀態(tài)等。

　　試驗中如需要實(shí)時(shí)接收電磁閥控制板送來(lái)的4路輪缸壓力信號，需在MATLAB命令窗口中運行xpcexplr命令打開(kāi)xPC Target Explorer.連接目標后，在Host Scope中添加示波器，并將需要觀(guān)測的信號添加到示波器中，即可在試驗過(guò)程中觀(guān)測變量。試驗結束后，可采用getxpcFileData()函數(變量為'EHB制動(dòng)壓力跟隨文件名')從目標機上載試驗結果，用于分析EHB綜合測試的性能。

　　在進(jìn)行壓力跟隨實(shí)驗的時(shí)候我們要對PID控制器參數進(jìn)行整定，應用xPCTarge t數據采集實(shí)驗平臺觀(guān)測所得目標壓力與實(shí)際壓力之間的關(guān)系，以此找出PID控制器的最佳參數，一般來(lái)講，PID參數的確定主要是根據試湊和調試經(jīng)驗來(lái)確定的。首先要了解各個(gè)參數對系統的影響，以純比例控制器(即KI = KD=0)來(lái)控制系統，大致確定Kp的范圍，然后在將其他兩個(gè)參數加到控制器中，反復運行調試系統最終確定最優(yōu)參數。當系統超調量較大時(shí)，應將比例環(huán)節Kp減小，同時(shí)增大積分環(huán)節KI和微分環(huán)節KD;當系統響應慢時(shí)，應適當增大比例環(huán)節Kp，減小積分環(huán)節KI和微分環(huán)節KD;當系統穩態(tài)誤差超過(guò)允許范圍時(shí)，應增大積分環(huán)節KI和微分環(huán)節KD;當系統振蕩嚴重時(shí)應增大比例環(huán)節Kp，同時(shí)減小積分環(huán)節I K和微分環(huán)節KD.經(jīng)過(guò)調節確定最佳比例環(huán)節的范圍大致在0.1～0.3之間;最佳積分環(huán)節的范圍大致在20～30之間;最佳微分環(huán)節的范圍大致在0.0001～0.001之間。以左前輪缸為例，圖4.7~4.10為目標壓力在3Mpa不同PID控制參數下輪缸壓力跟隨的響應情況：

　　PWM調制信號的頻率f = 25HZ，輪缸目標制動(dòng)壓力為9Mpa時(shí)的輪缸實(shí)際制動(dòng)壓力階躍響應曲線(xiàn)如圖4.11所示。此時(shí)PID控制器的參數為：

　　Kp = 0.3

　　KI = 20

　　KD=0.0001

　　從圖可以看出通過(guò)PID控制策略控制進(jìn)液閥、出液閥的PWM調制信號的占空比，有效地控制輪缸流量，達到精確控制輪缸壓力效果。如圖4.12所示同一坐標系下9Mpa工作點(diǎn)時(shí)四路輪缸壓力的階躍響應曲線(xiàn)，我們可以看到，系統響應時(shí)間小于0.2s，穩態(tài)誤差最大不超過(guò)0.7，實(shí)際輪缸壓力對目標輪缸壓力跟隨穩定快速，滿(mǎn)足系統的要求。

　　4.4關(guān)于實(shí)驗影響因素的分析

　　本方法適用于一類(lèi)系統，該類(lèi)系統的特征是由于某些物理器件結構上的限制，或者甚至擾動(dòng)的不同從而導致當工作點(diǎn)不同的時(shí)候，系統的傳遞函數發(fā)生變化，進(jìn)而使得系統的動(dòng)態(tài)響應不能用相同的模型來(lái)表達出來(lái)，因此不僅控制器的參數要相應的發(fā)生變化，而且可能控制器在某些時(shí)候其結構都需要做相應的調整和改變。

　　對于本EHB系統來(lái)說(shuō)就屬于這類(lèi)系統。本EHB系統中包含有很多可能導致這種情況的物理器件，具體分析如下：

　　(1)液壓供給單元中的高壓蓄能器的影響

　　由于本系統選擇氣囊式高壓蓄能器來(lái)存貯能量，該蓄能器在工作過(guò)程中如同一個(gè)彈性元件，不停的減弱沖擊和波動(dòng)的影響。當在蓄能器臨界工作點(diǎn)壓力的時(shí)候，氣囊在提升閥的作用下發(fā)生變化，此時(shí)的壓力可能產(chǎn)生跳躍性的變化，而此時(shí)如果控制器的參數甚至結構不能做出相應的調整的時(shí)候，EHB系統的輪缸壓力就會(huì )發(fā)生不穩定的情況，從而導致控制系統的不可控。

　　(2)液壓控制單元中的電磁閥閥坐結構的影響

　　液壓控制單元的電磁閥閥座是用于固定不同功能電磁閥的基座，其上還裝有壓力傳感器等電子元器件。該閥座內部不同的通路結構，管路內徑的大小也會(huì )導致在控制壓力的過(guò)程中產(chǎn)生跳變性的變化。另外在安裝過(guò)程中，由于加工精度或者壓力傳感器的安裝深度，內部的空氣不能夠保證完全排空等一些不確定的原因，都對EHB系統輪缸壓力的控制器參數調整以及結構變化提出了更高的要求。作為控制器本身來(lái)講，能否在復雜環(huán)境下作出相應的參數甚至結構調整都決定著(zhù)EHB系統輪缸壓力控制的成敗。

　　(3)液壓控制單元中的高速電磁開(kāi)關(guān)閥結構的影響

　　EHB液壓系統是通過(guò)改變電磁閥的驅動(dòng)電壓來(lái)調節輪缸壓力的，高速開(kāi)關(guān)閥是EHB系統液壓控制單元的重要元件，理想的狀況下，輸入電壓的波形與閥芯位移的波形應該保持一致。但是線(xiàn)圈通電時(shí)電磁鐵響應和閥芯運動(dòng)需要一定時(shí)間，加上閥的內部摩擦和阻尼等因素的影響，因此閥芯的運動(dòng)不是與輸入信號同步實(shí)時(shí)變化，帶有一定的滯后時(shí)間，波形也與輸入信號的波形不同，其動(dòng)態(tài)特性對整個(gè)系統控制有很大影響。

　　第5章全文總結及研究展望

　　5.1全文總結

　　EHB系統作為一種多功能制動(dòng)系統，將傳統制動(dòng)系統的所有制動(dòng)功能集合在一個(gè)整體上，彌補了傳統制動(dòng)系統的不足。傳統的制動(dòng)系統，制動(dòng)主缸通過(guò)活塞運動(dòng)，將等量的制動(dòng)液傳遞給各個(gè)制動(dòng)輪缸，只能在一定程度上實(shí)現前后制動(dòng)力的分配，不能很好地對各個(gè)制動(dòng)輪單獨控制，難以充分利用地面制動(dòng)力，EHB系統中高壓蓄能器作為液壓控制機構的動(dòng)力源，以PWM方式驅動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥控制輪缸壓力，通過(guò)閉環(huán)反饋的控制方式，對每個(gè)制動(dòng)輪缸的壓力進(jìn)行單獨控制，它將傳感器所采集到的各種信息傳遞給電子控制單元ECU，ECU決策出各制動(dòng)器所需的最佳制動(dòng)力，充分利用了地面制動(dòng)力，達到良好的制動(dòng)效果，EHB系統的優(yōu)越性決定了在汽車(chē)技術(shù)飛速發(fā)展的今天必將有廣闊的發(fā)展前景。

　　快速穩定的輪缸壓力的跟隨特性是實(shí)現ABS、EBD、TCS等控制功能的基礎，本文對EHB系統輪缸壓力跟隨特性進(jìn)行了研究，通過(guò)PID控制器調節控制各個(gè)輪缸壓力，反饋的實(shí)際輪缸壓力信號與目標給定的輪缸壓力信號不斷地進(jìn)行比較，并根據比較結果來(lái)實(shí)時(shí)地調整輸出的電磁閥的PWM值，以調整管路中的制動(dòng)液的流量，最終使輪缸的壓力值達到預期的目標值上。使實(shí)際輪缸壓力可以快速穩定響應，為后續實(shí)車(chē)試驗獲得某些基本參數和算法打下堅實(shí)的基礎。

　　本文所研究?jì)热莅ㄒ韵聨讉€(gè)方面內容的成果：

　　(1)構建了EHB系統總體方案。

　　本文提出了EHB系統總體方案。針對其中的電子制動(dòng)單元、液壓制動(dòng)執行機構進(jìn)行功能性設計。分析了EHB系統的工作過(guò)程，高壓蓄能器為整個(gè)液壓控制系統的動(dòng)力源，以PWM方式控制高速開(kāi)關(guān)閥從而控制輪缸壓力，實(shí)現了對各個(gè)輪缸的獨立控制。并應用Solidworks軟件繪出了EHB系統各個(gè)元件的三維圖，并對實(shí)驗臺架各個(gè)單元進(jìn)行了安裝布置，為EHB實(shí)驗臺實(shí)際搭建奠定良好的基礎。

　　(2)電液線(xiàn)控制動(dòng)系統臺架系統研制

　　EHB臺架系主要可分為液壓執行機構和電子控制系統。本文通過(guò)研究分析EHB系統中各個(gè)元件的作用和特性，分別對兩個(gè)單元進(jìn)行了設計和選型，其中液壓制動(dòng)執行機構研制包括：液壓供給單元(電動(dòng)液壓泵、高壓蓄能器)的選型，液壓控制單元(高速開(kāi)關(guān)閥)的選型與設計，及輔助單元(儲油箱、制動(dòng)管路、空氣濾清器及壓力傳感器)等的選型與匹配。電子制動(dòng)控制單元研制包括：ECU單片機CPU芯片的選擇、單片機數據采集輸入通道設計、單片機輸出通道的確定等。最后通過(guò)第二章所設計的實(shí)驗臺架布置方案搭建起了實(shí)驗臺。

　　(3)電液線(xiàn)控制動(dòng)系統臺架試驗研究

　　EHB系統由于取消了傳統制動(dòng)系統的制動(dòng)踏板與制動(dòng)卡鉗間直接的液壓鏈接，與傳統液壓制動(dòng)系統在性能以及時(shí)間響應上存在巨大差異。因此EHB的成功開(kāi)發(fā)必須進(jìn)行大量的實(shí)車(chē)試驗，才能將系統的性能調整到最佳的工作狀態(tài)。僅僅通過(guò)經(jīng)驗值的摸索方式調試會(huì )造成可信度的降低，并且導致在短時(shí)間內無(wú)法完成。而過(guò)長(cháng)的開(kāi)發(fā)周期會(huì )消耗大量的財力，人力和物力。因此在其設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中，臺架試驗是一個(gè)非常重要的手段，也是十分必要的。通過(guò)對EHB系統輪缸壓力跟隨特性的實(shí)驗研究，可以為后續獲得某些基本參數和算法打下堅實(shí)的基礎。本文首先對EHB系統輪缸壓力跟隨的控制算法進(jìn)行了研究，并對基于PID的EHB系統輪缸壓力跟隨控制算法進(jìn)行了實(shí)驗驗證，用xPC數據采集設備對跟隨情況進(jìn)行了監測，最后整定了PID控制器參數確定了最佳的參數范圍。通過(guò)觀(guān)察證明基于PID控制的輪缸壓力跟隨情況良好，實(shí)際反饋輪缸壓力信號能夠穩定快速的對給定信號進(jìn)行跟隨。

　　5.2研究展望

　　由于時(shí)間和條件有限，本文只是針對輪缸壓力的跟隨情況進(jìn)行了研究，今后可以根據不同的工況通過(guò)EHB試驗臺試驗，更好的實(shí)現傳統制動(dòng)功能：如ABS(制動(dòng)防抱死系統)功能;EBD(電子制動(dòng)力分配)功能;ESP(電子穩定性控制)功能;TCS(牽引力控制系統)功能;主動(dòng)防側翻功能等

　　基于此試驗平臺，可以進(jìn)一步研究相應的控制策略及狀態(tài)估計算法(如車(chē)速及路面估計)。在條件許可情況下，還可以加入踏板力模擬及應急制動(dòng)模塊，進(jìn)而研究踏板力反饋、EHB容錯及駕駛員制動(dòng)意圖識別等。